(57)【要約】  ウエーハ上に発光素子が形成された状態でパッケージング可能なチップサイズパッケージの光半導体装置を提供する。発光素子は半導体により形成された１又は２以上の発光部を備え、接合材を用いて発光素子と同一サイズのパッケージ基板と貼り合わされる。熱可塑性樹脂や金属のパッケージ基板と熱可塑性の接合材とを使用し、熱ストレスの少ない光半導体装置が実現される。発光素子はサファイアの他シリコンの基板上に形成でき、その基板はパッケージ基板と貼り合わせた後に除去可能である。発光部に側面反射鏡を備えることができる。
2011093405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子基板上に発光部を構成する化合物半導体層が形成された発光素子と、該発光素子を搭載するパッケージ基板とを備える半導体装置であって、
前記発光素子は、１又は２以上の区画された発光部を備えるとともに、光を取り出す発光面とは反対側の素子電極面に給電を受けるための素子電極を備え、
前記パッケージ基板は前記発光素子と略同一サイズであって、前記発光素子を搭載する素子搭載面に前記素子電極に対応した内部電極と、該素子搭載面とは反対面に該内部電極とビアによって接続された外部電極と、を備え、
前記発光素子の前記素子電極面と前記パッケージ基板の前記素子搭載面とを接合材を用いて貼り合わせることにより、前記素子電極と前記内部電極とが電気的に接続されるとともに、前記素子電極面と前記素子搭載面との間が密封され、
ウエーハ上に形成された前記発光素子が前記パッケージ基板ごとに分離されて構成されることを特徴とするチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項２】
前記パッケージ基板ごとに分離される前又は後に前記素子基板が除去されて形成される請求項１記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項３】
前記パッケージ基板は熱可塑性樹脂基板であり、
前記接合材は、熱可塑性材料からなるインターポーザ及び／又は異方性導電接着剤である請求項１又は２に記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項４】
前記パッケージ基板は金属基板であり、
前記接合材は、熱可塑性材料からなるインターポーザ及び／又は異方性導電接着剤である請求項１又は２に記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項５】
前記パッケージ基板はガラスエポキシ基板であり、前記接合材として異方性導電接着剤を用いる請求項１又は２に記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項６】
前記パッケージ基板は非直線性抵抗特性をもつ基板である請求項１又は２に記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項７】
前記発光素子と前記パッケージ基板との間に、前記接合材を挟んで非直線性抵抗特性をもつ基板を更に備え、該基板の両面に具備された電極と該電極間を接続するビアとを介して、該発光素子の前記素子電極と該パッケージ基板の前記内部電極とが電気的に接続される請求項１乃至５のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項８】
前記発光素子の前記素子電極面上に絶縁膜及び導電膜を順に形成し、更に該導電膜上にＰ型ポリシリコン及びＮ型ポリシリコンを順に形成し、該導電膜と該Ｐ型ポリシリコンと該Ｎ型ポリシリコンとによって構成される双方向ツェナーダイオードを備える請求項１乃至５のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項９】
前記素子基板は透明基板である請求項１乃至８のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項１０】
前記素子基板は光を通さない基板である請求項２乃至８のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項１１】
前記素子基板はシリコン基板である請求項１０記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項１２】
前記素子基板上において、前記化合物半導体層は、前記発光素子ごとに分離される境界が溝状に除去されている請求項１乃至１１のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項１３】
前記発光素子の前記発光面上に、蛍光物質を含んだ層を形成し又は蛍光物質を含んだ板を貼り合わせて構成される請求項１乃至１２のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項１４】
前記発光素子の前記発光面側の最表面に接して更に透明膜が形成され又は透明板が貼りあわされ、
前記透明膜又は透明板の屈折率は前記最表面の材料の屈折率と略同一であり、
前記透明膜又は透明板の前記発光面側と接する面とは反対側の表面は粗に加工されている請求項１乃至１２のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項１５】
前記透明膜又は透明板の上に、更に蛍光物質を含んだ層を形成し又は蛍光物質を含んだ板を貼り合わせて構成される請求項１４記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項１６】
前記透明膜又は透明板に蛍光物質を含ませた請求項１４記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【請求項１７】
前記発光素子は、前記化合物半導体層の前記発光面とは反対側に背面反射膜を備えるとともに、各前記発光部の側面を囲む側面反射膜を備える請求項１乃至１６のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はチップサイズパッケージの光半導体装置に関し、詳しくは、ウエーハ上に形成された発光素子とパッケージ基板とを貼り合せた後に個別のチップサイズパッケージに分離して形成することが可能な光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光素子及びその実装構造についてさまざまな形態が知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。図１は、従来の発光ダイオードとその構造の例を説明するための断面図である。図１（ａ）に示す発光ダイオードおいて、発光素子の発する光は集光方向ｚに取り出される。この発光ダイオードは、サファイア基板１、Ｎ＋型半導体２、Ｎ型半導体３、活性層４、Ｐ型半導体５、導電反射膜６、及びフリップチップ電極７、８からなる発光素子９を備えている。また、発光素子を実装するパッケージ基板１０、外部へ電極を取り出すための電極１１、傾斜を持った側壁１２、蛍光体１３、及びカバーガラスのキャップ１４を備えている。Ｐ型及びＮ型半導体層の界面の活性層４において発光する光の進む方向を、図中ｐ、ｑで示している。活性層４で発生する光のうち集光方向ｚへ向かう光は、そのまま放出される（ｐ）。集光方向ｚとは反対側へ向かう光は、反射膜６により反射されて集光方向ｚへ導かれる（ｑ）。Ｐ型半導体５の電極は、金属である導電反射膜６経由でフリップチップ電極７へ接続されている。Ｎ型半導体３の電極は、Ｎ＋型半導体２を経由してフリップチップ電極８に接続される。図１は断面図であるのでフリップチップ電極は２つ表わされているが、発光素子が傾斜しないように、構造上４つのフリップチップ電極が必要となる。上記発光素子のパッケージは、図１（ｂ）に示すように、マザーボード３４０に設けられた電極６５上に搭載される。白色用の発光ダイオードの場合には、特に静電気等の高電圧サージに弱いため除電された環境で取扱う必要がある。静電気対策のために、発光ダイオードのパッケージ内にサージ吸収素子が実装される場合も多い。【０００３】
上記のような構造の場合には体積が大きく、高密度実装が必要な用途には適さない。パッケージングデバイスを小型化するために、発光半導体ダイをデバイスの基板上に設けられたボンディングパッドに接合して構成される発光素子も知られている（例えば、特許文献４を参照）。このようなパッケージングによって、従来のプリント回路基板組立てプロセスに適合する発光半導体デバイスの小型化が可能とされるが、ウエーハから切出した発光半導体チップをデバイス基板上に搭載してボンディングするため、半導体チップのサイズに比べて大きなデバイス面積が必要となってしまうという問題があった。また、発光半導体を形成したウエーハ状態のままでパッケージング工程を行うことができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−９３１４６号
【特許文献２】特開２００６−３０３５４７号
【特許文献３】Ｗ０２００６−１２６３３０号
【特許文献４】特開２００９−４９４０８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発光デバイスを小型化するため、パッケージを用いずにベアチップそのままで使用する場合、図２に示すように光半導体装置を構成することが考えられる。図２（ａ）は発光素子１６の断面、（ｂ）は発光素子１６を下方から見た平面、（ｃ）はマザーボード３４０への実装、をそれぞれ説明するための図である。図２（ａ）に示すように、発光素子１６は、サファイア基板１、Ｎ＋型半導体２、Ｎ型半導体３、活性層４、Ｐ型半導体５、導電反射膜６、及びフリップチップ電極７、８を備えている。Ｐ型半導体、Ｎ型半導体及び活性層を汚れから保護するために、酸化膜１５が側面に設けられている。Ｐ型及びＮ型半導体層の界面の活性層４において発光する光の進む方向を、図中ｐ、ｑで示している。活性層４で発生する光のうち集光方向ｚへ向かう光は、そのまま放出される（ｐ）。集光方向ｚとは反対側へ向かう光は、反射膜６により反射されて集光方向ｚへ導かれる（ｑ）。また、図２（ｂ）に示すように、フリップチップ電極として、Ｐ型半導体５の上に３つのＰ電極７が形成され、Ｎ＋型半導体２の上に１つのＮ電極８が形成されている。図２（ｃ）に示すように、マザーボード３４０上には電極６５が設けられており、半導体とマザーボードとはフリップチップ電極を介して接続される。このような構造により、発光素子の大きさがパッケージの寸法になり、小さな面積で実装することができる。ただし、ベアチップを実装する場合には、半導体素子とマザーボードとは熱膨張係数が大きく異なるため、ベアチップの素子とマザーボードとの界面に接着用樹脂を入れるのが一般的である。この点で、通常の面実装部品とは実装方法が異なる。【０００６】
発光ダイオードの用途が拡大するにつれて、発光の高効率化、小型化、低コスト化等のニーズが高まってきている。発光の高効率化のためには、発光層から発光するあらゆる方向の光を補足して集光方向に集め、集光方向にはできるだけ遮蔽物を置かない構造とする必要がある。すなわち、発光層にて発光する光の方向ごとに集光方向に向けるための反射板を設けること、集光方向には電極を置かずにその反対面から電極を取り出すこと、集光方向には基板も含めて何も置かない構造とすること、更に各界面での光の反射を抑制すること、などが必要である。小型化のためには、発光効率の向上により素子サイズを小さくすること、チップサイズパッケージ（チップと同じ大きさのパッケージ）のように小型で簡素なパッケージ構造とすることが好ましい。しかし、静電気等のサージ対策も考慮しておく必要があり、使用方法によってはサージ吸収素子機能を同時に実装する方法も必要である。発光ダイオードの高効率化と小型化は、省エネルギーだけではなく、素子数の低減、駆動回路の簡素化等を促し、低コスト化にも効果が大きい。【０００７】
本発明は、この様な事情に鑑みなされたものであり、ウエーハ状態すなわち発光素子が個別に分離される前の状態でパッケージングを行うことができ、高効率化、小型化を図ることができるチップサイズパッケージの光半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下の通りである。
１．素子基板上に発光部を構成する化合物半導体層が形成された発光素子と、該発光素子を搭載するパッケージ基板とを備える半導体装置であって、前記発光素子は、１又は２以上の区画された発光部を備えるとともに、光を取り出す発光面とは反対側の素子電極面に給電を受けるための素子電極を備え、前記パッケージ基板は前記発光素子と略同一サイズであって、前記発光素子を搭載する素子搭載面に前記素子電極に対応した内部電極と、該素子搭載面とは反対面に該内部電極とビアによって接続された外部電極と、を備え、前記発光素子の前記素子電極面と前記パッケージ基板の前記素子搭載面とを接合材を用いて貼り合わせることにより、前記素子電極と前記内部電極とが電気的に接続されるとともに、前記素子電極面と前記素子搭載面との間が密封され、ウエーハ上に形成された前記発光素子が前記パッケージ基板ごとに分離されて構成されることを特徴とするチップサイズパッケージの光半導体装置。
２．前記パッケージ基板ごとに分離される前又は後に前記素子基板が除去されて形成される前記１．記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
３．前記パッケージ基板は熱可塑性樹脂基板であり、前記接合材は、熱可塑性材料からなるインターポーザ及び／又は異方性導電接着剤である前記１．又は２．に記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
４．前記パッケージ基板は金属基板であり、前記接合材は、熱可塑性材料からなるインターポーザ及び／又は異方性導電接着剤である前記１．又は２．に記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
５．前記パッケージ基板はガラスエポキシ基板であり、前記接合材として異方性導電接着剤を用いる前記１．又は２．に記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
６．前記パッケージ基板は非直線性抵抗特性をもつ基板である前記１．又は２．に記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
７．前記発光素子と前記パッケージ基板との間に、前記接合材を挟んで非直線性抵抗特性をもつ基板を更に備え、該基板の両面に具備された電極と該電極間を接続するビアとを介して、該発光素子の前記素子電極と該パッケージ基板の前記内部電極とが電気的に接続される前記１．乃至５．のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
８．前記発光素子の前記素子電極面上に絶縁膜及び導電膜を順に形成し、更に該導電膜上にＰ型ポリシリコン及びＮ型ポリシリコンを順に形成し、該導電膜と該Ｐ型ポリシリコンと該Ｎ型ポリシリコンとによって構成される双方向ツェナーダイオードを備える前記１．乃至５．のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
９．前記素子基板は透明基板である前記１．乃至８．のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
１０．前記素子基板は光を通さない基板である前記２．乃至８．のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
１１．前記素子基板はシリコン基板である前記１０．記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
１２．前記素子基板上において、前記化合物半導体層は、前記発光素子ごとに分離される境界が溝状に除去されている前記１．乃至１１．のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
１３．前記発光素子の前記発光面上に、蛍光物質を含んだ層を形成し又は蛍光物質を含んだ板を貼り合わせて構成される前記１．乃至１２．のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
１４．前記発光素子の前記発光面側の最表面に接して更に透明膜が形成され又は透明板が貼りあわされ、前記透明膜又は透明板の屈折率は前記最表面の材料の屈折率と略同一であり、前記透明膜又は透明板の前記発光面側と接する面とは反対側の表面は粗に加工されている前記１．乃至１２．のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
１５．前記透明膜又は透明板の上に、更に蛍光物質を含んだ層を形成し又は蛍光物質を含んだ板を貼り合わせて構成される前記１４．記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
１６．前記透明膜又は透明板に蛍光物質を含ませた前記１４．記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。
１７．前記発光素子は、前記化合物半導体層の前記発光面とは反対側に背面反射膜を備えるとともに、各前記発光部の側面を囲む側面反射膜を備える前記１．乃至１６．のいずれかに記載のチップサイズパッケージの光半導体装置。【０００９】
本発明において、少なくとも素子基板とその上に形成された発光層及び電極を備えて構成される素子（その中間工程の状態にあるものを含む）を「発光素子」という。発光素子は、１又は２以上の区画された発光部を備えて構成される。この１つの発光部を「発光セル」という。各発光セルと一体に構成されて側面を囲む側面反射板（「マイクロミラー」ともいう。）を設けることができ、このマイクロミラーによって囲まれた構造の発光セルを「光マイクロセル」という。発光素子をパッケージングした状態、又はマザーボードに実装可能な状態に加工したものを、「発光ダイオード」又は「光半導体装置」と呼ぶ。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のチップサイズパッケージの光半導体装置によれば、素子基板上に化合物半導体層が形成された発光素子と発光素子を搭載するパッケージ基板とを備え、ウエーハ状態又はパッケージ基板上の発光素子が分離されていない状態でチップサイズパッケージを完成させ、その状態から直接マザーボードへの実装が可能になるため、簡素な製造工程により、小型且つ低コストの発光ダイオードを実現することができる。発光素子は、１又は２以上の光マイクロセルを備えて構成されるため、発光の高効率化を図ることができる。また、発光素子は、光を取り出す発光面とは反対側の素子電極面に素子電極を備えるため、集光方向に光を遮るものがなく、効率良く光を取り出すことができる。パッケージ基板を発光素子と略同一サイズとすることができ、発光ダイオードを極めて小型にすることができる。また、発光素子を搭載するパッケージ基板の素子搭載面に内部電極を備え、発光素子の素子電極面とパッケージ基板の素子搭載面とは接合材を用いて貼り合わされるため、素子電極と内部電極との電気的接続を確実にするとともに、発光素子とパッケージ基板との間が密封され、湿度や異物などから保護することができる。チップサイズパッケージの本光半導体装置は、ウエーハ状態でパッケージができ、ウエーハ状態で電気的検査及び光学的検査を行うことができる。そして、個別の発光ダイオードに分離した後も、ウエーハ状態又はそれをエキスバンドした状態で扱うことができるため、パッケージコストを大きく低減することが可能になる。本光半導体装置は、白色用だけでなく全ての発光ダイオードに適用できる。【００１１】
前記パッケージ基板ごとに分離される前又は後に前記素子基板が除去される場合は、発光層からの光の透過性を上げることができる。また、不透明な素子基板を用いることが可能になる。また、素子基板とパッケージ基板との熱膨張係数の違いによるストレスをなくし、基板の反り等を避けることができる。【００１２】
前記パッケージ基板は熱可塑性樹脂基板であり、前記接合材は、熱可塑性材料からなるインターポーザ(中間基板材)及び／又は異方性導電接着剤である場合は、公知の素材を用いて簡易な工程によってチップサイズパッケージの光半導体装置を作ることができる。また、熱可塑性基板の熱膨張係数をマザーボードの熱膨張係数に近くすることができるため、本光半導体装置をマザーボードに搭載した場合のストレスを低減することができる。
前記パッケージ基板は金属基板であり、前記接合材は、熱可塑性材料からなるインターポーザ及び／又は異方性導電接着剤である場合は、白色発光ダイオードなど発熱が大きい用途において、放熱性の良いチップサイズパッケージを実現することができる。
前記パッケージ基板はガラスエポキシ基板であり、前記接合材として異方性導電接着剤を用いる場合は、安価な既存材料と従来のプリント基板組立技術を利用して、チップサイズパッケージの光半導体装置を実現することができる。
前記パッケージ基板は非直線性抵抗特性をもつ基板である場合は、簡素な構成により、静電気によって生じる高電圧から保護された光半導体装置を実現することができる。パッケージ内にサージ吸収素子を備える必要がないため、パッケージを極めて小型にすることができる。
前記発光素子と前記パッケージ基板との間に、前記接合材を挟んで非直線性抵抗特性をもつ基板を更に備える場合は、静電気によって生じる高電圧から保護された光半導体装置を実現することができる。パッケージ内にサージ吸収素子を備える必要がないため、パッケージを極めて小型にすることができる。【００１３】
前記発光素子の前記素子電極面上に形成された導電膜、Ｐ型ポリシリコン及びＮ型ポリシリコンによって構成される双方向ツェナーダイオードを備える場合は、発光素子自体にサージ吸収機能を備えることができるため、既存の材料及び工程を利用して、極めて小型に静電気から保護された光半導体装置を作ることができる。【００１４】
前記素子基板は透明基板である場合は、従来一般的であったサファイア基板等を用いて発光素子を形成し、チップサイズパッケージの光半導体装置を構成することができる。
前記素子基板は光を通さない基板である場合は、素子基板の材料をより自由に選択してチップサイズパッケージの光半導体装置を構成することができる。
前記素子基板はシリコン基板である場合は、エッチングにより発光素子にストレスを与えることなく容易に素子基板を除去することができる。【００１５】
前記素子基板上において、前記化合物半導体層は、前記発光素子ごとに分離される境界が溝状に除去されている場合は、発光素子を分離するためのスクライブ部分にあらかじめ切り込みを形成しておくことにより、発光素子ごとに半導体層が分離され、半導体層とパッケージ基板との熱膨張係数の違いによる影響を低減することができる。特に、発光素子の素子基板が除去されている場合には、パッケージ基板が半導体層に与える熱ストレスを最小にすることができる。【００１６】
前記発光面上に、蛍光物質を含んだ層を形成し又は蛍光物質を含んだ板を貼り合わせて構成される場合は、チップサイズパッケージの白色発光ダイオードを実現することができる。この蛍光層は、ウエーハ状態又は個々の発光素子が分離されていない状態で付加することができるため、製造工程も簡素になる。
前記発光素子の前記発光面側の最表面に接して更に透明膜が形成され又は透明板が貼りあわされ、前記透明膜又は透明板の屈折率は前記最表面の材料の屈折率と略同一であり、前記透明膜又は透明板の前記発光面側と接する面とは反対側の表面は粗に加工されている場合は、発光層で発光した光が発光層内で全反射する比率を下げるとともに、透明板等の粗に加工された面側における全反射を低減し、より多くの光を外部に取り出すことができる。この透明板等は、ウエーハ状態又は個々の発光素子が分離されていない状態で付加することができるため、製造工程も簡素になる。
前記透明膜又は透明板の上に、更に蛍光物質を含んだ層を形成し又は蛍光物質を含んだ板を貼り合わせて構成される場合は、より多くの光によって蛍光物質を励起することが可能になる。
前記透明膜又は透明板に蛍光物質を含ませた場合は、極めて簡素な構造及び工程によって、効率のよい白色発光ダイオードをチップサイズで実現できる。
前記発光素子は、前記化合物半導体層の前記発光面とは反対側に背面反射膜を備えるとともに、各前記発光部の側面を囲む側面反射膜を備える場合は、発光層で発光して各方向に向かう光を集光方向に取り出すことができ、集光効率に優れたチップサイズの光半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明について、本発明による典型的な実施形態の例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて説明する。同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品又は構成を示す。
【図１】従来の発光ダイオードの構造を説明するための断面図
【図２】発光素子をベアチップで実装する場合を説明するための断面図
【図３】発光層の背面の反射膜と側方の反射板を用いた集光方法の概念図
【図４】チップサイズパッケージの概念とその実装例を説明するための断面図
【図５】光マイクロセルの製造工程を説明するための断面図
【図６】図５の光マイクロセルを説明するための断面図及び平面図
【図７】図５の光マイクロセルを備えて構成される発光素子を説明するための断面図及び斜視図
【図８】図７の発光素子にサージ吸収層を設けた場合の断面図
【図９】素子電極面上に形成された双方向ツェナーダイオードを備える発光素子を説明するための断面図及び平面図
【図１０】シリコン基板上に半導体層を形成する工程を説明するための断面図
【図１１】シリコン基板上に光マイクロセルを形成する工程を説明するための断面図
【図１２】シリコン基板を用いた発光素子を説明するための断面図及び斜視図
【図１３】発光素子の各実施形態を説明するための断面図
【図１４】発光ダイオードの一実施形態を説明するための断面図
【図１５】図１４の発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図
【図１６】発光ダイオードの別の実施形態を説明するための断面図
【図１７】図１６の発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図
【図１８】図１６の発光ダイオードにシリコン基板を用いる製造工程を説明するための断面図
【図１９】発光ダイオードの更に別の実施形態を説明するための断面図
【図２０】図１９の発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図
【図２１】図１９の発光ダイオードにシリコン基板を用いる製造工程を説明するための断面図
【図２２】ガラスエポキシ基板を使用する発光ダイオードの実施形態を説明するための断面図
【図２３】図２２の発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図
【図２４】ガラスエポキシ基板を使用する発光ダイオードの別の実施形態を説明するための断面図
【図２５】図２４の発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図
【図２６】図２４の発光ダイオードにシリコン基板を用いる製造工程を説明するための断面図
【図２７】サファイアのウエーハと発光素子及び発光ダイオードの関係を説明する図
【図２８】シリコンのウエーハと発光素子及び発光ダイオードの関係を説明する図
【図２９】本発光ダイオードの全体を説明するための上面図、断面図及び下面図
【図３０】本発光ダイオードのマザーボードへの実装例を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の新規点は、チップサイズパッケージをウエーハ状態で作りこみ、高効率化と小型化と低コスト化を同時達成することにある。更に、サージ対策を可能にすることにある。本発明のチップサイズパッケージに収められた半導体装置は、発光素子と発光素子を搭載するパッケージ基板とを備える。発光素子は、化合物半導体からなる発光層を作りこんだサファイア等の基板（素子基板）にフリップチップ技術を用いて電極面（素子電極面）を設け、その素子電極面とパッケージ基板の１つの面（素子搭載面）とを貼り合わせて構成される。パッケージ基板は、最終的に個別の光半導体装置に分離されたときに発光素子の面積と略同一サイズとすることができる。パッケージ基板として、熱可塑性の材料や金属等を用いたプリント基板、非直線性抵抗特性をもつプリント基板（以下、「バリスタ基板」という。）等を採用することができる。パッケージ基板の素子搭載面には、素子基板に設けられたフリップチップ電極と接続するための導体部（内部電極）が備えられ、反対側の面には、本半導体装置の電極となる導体部（外部電極）が備えられる。内部電極と外部電極とは、貫通ビアによって接続される。上記プリント基板がパッケージ材となるためには、素子基板に設けられるフリップチップ電極の材料（例えば、金）と、プリント基板の内部電極の導体（例えば、銅）との電気的接続が確実にされることが必要である。また、素子基板の素子電極面とプリント基板の素子搭載面とが確実に密着することが必要である。個別の光半導体装置に分離される前のプリント基板の寸法及び形状は、ウエーハサイズと同等な丸型でもよいし、１辺がウエーハの直径以上の四角形状等であってもよい。フリップチップ電極が金であり、プリント基板の導体が銅である場合、金と銅の共晶温度は約２５０℃であるため、電極間の強固な結合が必要な用途には、この温度以上で貼り合わせることが好ましい。一方、貼り合わせに用いる接合材として、熱可塑性のＰＥＥＫ(ポリ・エーテル・エーテル・ケトン)とＰＥＩ(ポリ・エーテル・イミド)等との合成材のように、３００℃程度で流動性が高まる材料が好ましい。このような接合材を用いて約３００℃前後の温度で加圧して貼り合わせることにより、素子基板の素子電極面とプリント基板との密着性及び電気的接続を確保することができる。例えば、プリント基板としてＰＥＥＫ材を主体とする熱可塑性プリント基板を用いる場合、素子電極面とプリント基板とは密着して強度を持ち、フリップチップ電極の金とプリント基板側の銅とは共晶結合をして強度と導電性が確保される。また、熱可塑性基板を用いる場合には、その熱膨張係数をマザーボードに近付けられるという利点がある。
【００１９】
以上のように素子基板とパッケージ基板とを貼り合わせた状態では、発光層を物理的に支える機能をパッケージ基板に負わせることが可能となる。素子基板がサファイアの場合には、サファイア基板が集光方向の最外面となる。そこで、これまで発光層を支えていたサファイア基板を除去することによって、光の透過性を上げるとともに、熱可塑性プリント基板との熱膨張係数の違いによる基板の反り等を避けることができる。サファイア基板の除去により、発光層である極めて薄い膜厚の半導体層がパッケージ基板に搭載されている状態となる。サファイア基板は公知のリフトオフ法で剥がすことができる。その場合、サファイア基板を再利用することも可能になる。リフトオフ手法によれば、ウエーハ状態でパッケージ基板と張り合わせた後に、貼り合わせ時の温度又はそれに近い温度にてサファイア基板を剥離することも可能である。これにより、サファイア基板とパッケージ基板との熱膨張性の差によるストレスを低減することができる。更に、パッケージ基板の熱膨張係数とその上に残る半導体層の熱膨張係数が異なるので、サファイア基板上に半導体層が形成されている状態で、発光素子を分離するためのスクライブラインの位置に切り込み部を形成しておくことが好ましい。この切り込み部上の半導体層は溝状に除去されるため、スクライブライン上で半導体層が分離され、半導体層とパッケージ基板との熱膨張係数の違いの影響を最小限に抑えることができる。
蛍光体を用いる発光ダイオードの場合には、上記発光層がウエーハ状態でパッケージ基板に貼り合わされている状態において、蛍光体を塗布又は貼り合わせることも可能である。これにより、ウエーハ状態で発光素子をパッケージし、且つ蛍光体を付与することが可能になる。
【００２０】
発光素子の別の構成として、光を透過しない基板（例えば、シリコン基板）上に発光層となる化合物半導体層を形成することができる。そして、サファイア基板の場合と同様に、シリコン基板上にフリップチップ電極を設け、パッケージ基板となるプリント基板と貼り合せてチップサイズパッケージを形成することができる。この場合、パッケージ基板と貼り合せた後に、シリコン基板をエッチングにより除去することができる。不透明な素子基板を除去することにより、発光層である極めて薄い膜厚の半導体層又はその上に設けられている透明電極や透明膜が集光方向の最外面となるため、発光層からの光を外部に放出することができる。基板であるシリコンは、ＫＯＨ水溶液等を用いて１００℃以下でエッチング可能であるため、温度ストレスを加えることなく容易に除去できる利点がある。シリコン基板上の半導体層は、シリコン基板と半導体層を形成したサファイア基板とをウエーハ状態で貼り合わせた後、サファイア基板をリフトオフすることにより形成することもできる。サファイ基板上には化合物半導体やインジウム酸化膜、シリコン酸化膜のような無機物だけが形成されており、ガラス遷移温度の低い有機物材料が存在しない状態であるため、加工温度を心配せずに上記貼り合わせ及びリフトオフの工程を行うことができる。光を透過しないシリコン基板を化合物半導体の基板として用いて、パッケージ基板と貼り合わせた後に簡単なエッチングによりシリコン基板を除去する着想は極めて新規であり、多くのメリットのある手法である。
【００２１】
パッケージ基板の材料として、金属ベース基板（金属基板）を用いることもできる。金属材料は特に限定されないが、例えばアルミニウム、銅等が挙げられる。熱可塑性の接合材を金属基板と素子基板との貼り合わせに使用することも可能である。例えば、金属基板と化合物半導体を形成している素子基板とを熱可塑性のＰＥＥＫ・ＰＥＩのシート材を介して貼り合わせる。その場合、約３００℃で熱処理することにより、貼り合わせと電極の共晶結合とを同時に行うことができる。金属基板は熱伝導性が良いという特徴を生かせる分野に適している。例えば、高輝度の白色発光ダイオードでは発熱が大きい用途があり、金属基板は放熱性の良いチップサイズパッケージとして最適である。この場合にも、貼り合わせ温度の近傍にて素子基板を除去することが望ましい。また、素子基板のスクライブライン部に切り込み（溝）を形成し、素子基板除去後には発光素子が分離されているようにすることにより、熱膨張係数の違いに起因する応力を少なくすることができる。
【００２２】
また、パッケージ基板として、普及しているガラスエポキシ基板を用いることもできる。ただし、ガラスエポキシ基板はその耐熱温度が２００℃程度以下と低く、前記の熱可塑性の接合材を使うことができない。そこで、ウエーハ状態で素子基板とガラスエポキシ基板とを異方性導電接着剤を介して貼り合わせることにより、約１００℃での貼り合わせが可能となる。この場合、電極間の接合は２０μｍ程度の金属粒子を介して行われる。異方性導電接着剤として、液晶においてガラス基板と回路基板との接続に用いられているヒートシール材料を用いることができる。電気接合は、金属粒子を介した接触であるため接触抵抗が０．１Ω程度となる。このため上記構成は大電流用途に用いることはできないが、数十ｍＡ程度の駆動電流となる面発光の液晶バックライト用途等では十分に使用できる。この構成の特徴は、既存材料の組み合わせと新規な構造によりチップサイズパッケージが構成できる点にある。また、素子基板として上述のシリコン基板を用いれば、その基板を１００℃以下で除去可能であるため、ガラスエポキシ基板を用いても容易に形成できる工程となる。この場合にも、貼り合わせ温度の近傍にて素子基板を除去することが望ましい。また、素子基板のスクライブライン部に切り込み（溝）を形成し、素子基板除去後には発光素子が分離されているようにすることにより、熱膨張係数の違いに起因する応力を少なくすることができる。
【００２３】
また、パッケージ基板として、非直線性抵抗特性をもつ基板（バリスタ基板）を用いることもできる。バリスタ基板は、２つの電極間に一定の電圧（例えば１２Ｖ）を超える電圧が加わると急激に抵抗が低くなり基板内に電流を流すため、静電気によって生じる高電圧から発光素子を保護することができる。パッケージ基板にバリスタ基板を用いる場合、素子基板との接合材として、熱可塑性のインターポーザ材料又は異方性導電接着剤を使用することができる。
前記の熱可塑性基板又は金属基板とバリスタ基板とを組み合わせてチップサイズパッケージを構成することも可能である。バリスタ基板の両面に電極を設け、ビアを介して両面の電極間を接続する。そして、化合物半導体が形成されている発光素子と熱可塑性基板又は金属基板との間にバリスタ基板を挟み、発光素子とバリスタ基板との間及びバリスタ基板と熱可塑性基板等との間を、それぞれ熱可塑性のインターポーザ材料又は異方性導電接着剤を使用して貼り合わせる構造とすることができる。発光素子の素子電極とパッケージ基板の内部電極とは、バリスタ基板に具備された電極及びビアを介して電気的に接続される。インターポーザとして熱可塑性のＰＥＥＫ・ＰＥＩのシート材を使用すれば、約３００℃で熱処理することにより貼り合わせと電極の共晶結合を同時に行うことができる。
【００２４】
以上の様にして、ウエーハ状態又は個々の発光素子が分離されていない状態で、チップサイズパッケージの光半導体装置を形成することができる。そして、発光ダイオードとしての光学特性や電気的特性の検査も、全てウエーハ状態で行うことができる。その後パッケージ基板を分割すれば、チップサイズにパッケージされた状態の光半導体装置を得ることができる。チップサイズパッケージにした光半導体装置の持ち運びは、ウエーハ状態、又はパッケージ基板が分離されていない状態、エキスパンションシートに貼った状態等で行うことができる。また、同様の状態でマザーボードへの実装を行うこともできる。
【００２５】
静電気対策のために個々のチップサイズパッケージに保護素子を備える場合には、発光素子自身にサージ吸収素子を薄膜で形成する方法等を用いることができる。サージ吸収素子を薄膜で形成する方法として、Ｐ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとからなるツェナーダイオードを形成する方法が挙げられる。発光素子にサージ吸収素子を薄膜で形成すれば、ウエーハ状態又は個々の発光素子が分離されていない状態でサージ吸収素子を組み込むことができ、パッケージサイズを大きくする必要がない。
【００２６】
以上の様に形成されたチップサイズパッケージでは、集光方向に、発光層からの光を遮断するものはなくなる。この状態で、発光層の集光方向側の表面をブラストなどで粗（梨地）にすることにより、発光した光が発光層内で全反射する比率を下げる様にすることも可能である。また、白色用の発光ダイオードでは、この状態で蛍光物質を含む膜（蛍光体）を形成することが可能である。蛍光体は、厚膜の有機物蛍光体を塗布・硬化させて形成することができる。また、無機物の蛍光体をパッケージ基板の形状に合わせて貼り合わせることにより、蛍光体をウエーハ状態で形成することも可能である。無機物の蛍光体がセラミクス系の薄板の場合には、貼り合わせに用いる透明接着剤の光屈折率を小さくすることにより、蛍光体内部で励起された波長の長い光のうち発光層側へ向かう光をできるだけ全反射させ集光方向に向ける構造とすることも可能である。また、蛍光体の集光方向側の表面を梨地加工して、光が全反射しないような工夫も可能である。
また、素子基板とパッケージ基板とを貼り合わせた後に素子基板を除去した状態において、半導体層と略同一又は半導体層より大きな屈折率の高屈折率層（透明膜又は透明板）を集光方向の最外面に設けることもできる。その場合、高屈折率層の半導体層との接触面を鏡面とすることによって、半導体層から入射する光に対しては屈折率差による全反射を少なくすることができる。また、高屈折率層の集光方向側の面に梨地加工等を施すことによって全反射を抑制し、全体として発光層からの光をできるだけ多く集光方向へ取り出すことができる構造とすることができる。また、この高屈折率層の材料に蛍光物質を加えることにより簡素な構造とすることもできる。本チップサイズパッケージによれば、必要に応じて、蛍光体の付加や高屈折率層の付加を、ウエーハ状態又は個々の発光素子が分離されていない状態で行うことが可能である。
【００２７】
従来の発光ダイオードの構造では、発光素子の側面方向の光を捕捉することができないという問題があった。チップサイズパッケージにおいて、発光素子の側面方向は保護のための樹脂材料で光が遮られてしまう。その対策として、できるだけ発光素子の内部で側面方向の光を集光方向にとりだすための構造が必要となる。これは発光素子内に約４５度に傾斜した側面反射板（マイクロミラー）を設けて、活性層で発生する側面方向への光を集光方向へ取り出す構造とすることにより実現できる。集光方向とは反対側に設けた反射膜とこのマイクロミラーとにより、発光層で発生する全ての方向の光を集光方向に向けることができる。この様に構成された発光素子ごとにチップサイズにパッケージされた状態で、発光層で発光する大半の光を集光方向に取り出すことが可能となる。
【００２８】
図３に、発光素子内にマイクロミラーを設ける方法の概念を示す。図３（ａ）に示す発光素子は、サファイア基板１の上にＮ型半導体３、活性層４、Ｐ型半導体５からなる半導体層を備えている。活性層４から発生する光のうち、集光方向ｚに向かう光はそのまま放出され（ｐ）、反対方向への光は背面反射膜６で集光方向へ反射されて放出され（ｑ）、側面方向の光は発光層の近傍に設けられたマイクロミラー７０により反射されて集光方向へ向けて放出される（ｒ）。この場合、側面のマイクロミラーの傾斜角αは０から９０度以内の値である。光の放出方向の反対側に背面反射膜６を設けることは公知であるが、側面方向の素子内にマイクロミラー７０を設けることは極めて新規である。図３（ｂ）はこの概念に基づいて、構成する発光素子の断面を表す。この発光素子は１つのサファイア基板１上に形成されており、複数の発光セル（発光部）８０から構成されている。図の断面には、４つの発光セルが表わされている。各発光セル８０は、図３（ａ）と同様の半導体層を備える。そして、各発光セル８０は側面をマイクロミラー７１によって囲まれ、それぞれ光マイクロセルを構成している。各光マイクロセルの下側には導電反射膜（背面反射膜）２７５が形成されている。光マイクロセル内の発光層からの光の進行方法を、図３（ａ）と同様にｐ、ｑ、ｒで示す。尚、各光マイクロセル内の半導体層には、フリップチップ電極７及び８から配線層９０を経て電源が供給される。
【００２９】
白色の発光ダイオードでは、上記光マイクロセルの集光方向ｚに蛍光物質を含む蛍光体を設け、光マイクロセルから取り出した光により蛍光物質を励起して、波長の長い光を発光させる。この励起されて発光する光は蛍光体内で全方向に向けて放出されるので、この光に対する集光手段が新たに必要となる。集光方向へはそのまま放出し、反対方向の光の一部は蛍光体と半導体層との界面で反射させて集光方向に放出し、一部は半導体内部へ至り反射膜により集光方向へ反射させるようにすることができる。前述したように、蛍光体層と半導体層の間に高屈折率層を設けたり、ハーフミラーの機能を持たせたりすることが好ましい。
【００３０】
以上の様な手段により、高効率化、小型化及び低コスト化を同時に達成可能な発光ダイオードを構成することができる。すなわち、パッケージが発光素子のチップサイズと同じ大きさであり、発光層で発光して各方向に向かう光を集光方向に取り出すことができ、なおかつ半導体層の表面にあった素子基板が除去されて、光を減衰させることなく集光することができる。白色用の発光ダイオードの場合には、半導体層の上に直接蛍光体を設けることができ、半導体層と蛍光体との間に介在物がない理想的な状態となる。半導体層が形成されていた高価なサファイア基板は、リフトオフを最適化すれば再利用が可能であり、トータルでさらに低コスト化が可能となる。
【００３１】
本発明の光半導体装置のパッケージ構造の概念を図４に示す。図４（ｂ）に示すウエーハ状態の発光素子１６と、図４（ｃ）に示すウエーハと同一サイズの熱可塑性のインターポーザ(中間基板材)３５０と、図４（ｄ）に示すウエーハと同一サイズのパッケージ基板４０と、を発光素子がウエーハ状態のままで貼り合わせてパッケージングと電極間接続同時に行う。その後、白色発光ダイオード用途では、ウエーハ状態で図４（ａ）に示す同一サイズの蛍光体３３０を張り合わせる。図４（ａ）〜（ｄ）は、ウエーハ又はそれと同一サイズの各材料うち、１つの発光素子に相当する部分のみを描いている。その後、発光素子及びパッケージ基板を一体で分割することによって、図４（ｆ）に示すような発光ダイオード２１とし、それをマザーボード３４０に実装することができる。白色発光ダイオードの場合には、蛍光体３３０から２次発光を集光方向ｚに向けるため、マザーボードに実装後、図４（ｆ）のような反射板１５０を用いて総合的な光の捕捉をすることも可能である。発光素子１６は、図２に示した発光素子と同様の構成である。フリップチップ電極７及び８は、例えば、スタッドバンプで約３０μｍ形成し、高さの均一化のためのレべリングを行って約２０μｍの高さとすることができる。インターポーザ３５０は、厚さ約５０μｍ程度でＰＥＥＫ・ＰＥＩ材をベースとする熱可塑性の材料からなり、４００℃では液状となるため３００℃で貼り合わせを推奨される材料を用いることができる。パッケージ基板４０は、同様の熱可塑性の材料からなるプリント基板を用いることができる。そのプリント基板にビア５０が作り込まれており、銅等からなる外部電極６０及び内部電極６１が接続されている。ビア５０には銀等を主材料とする金属を用いることができる。発熱が大きい用途では、できるだけ多数のビアを設けることにより熱抵抗を下げることができる。図４（ｂ）〜（ｄ）の材料をウエーハの状態で合体させ、約３００℃の真空中で加圧硬化することによりウエーハレベルのパッケージを完成させることができる。必要に応じて蛍光体を貼り合わせて、発光素子チップに分割すれば発光ダイオード２１が得られる。
【００３２】
より具体的には、図４（ｂ）に示した発光素子１６は、サファイア基板１、Ｎ＋型半導体２、Ｎ型半導体３、活性層４、Ｐ型半導体５、反射導電膜６、フリップチップ電極７及び８からなる。フリップチップ電極はスタッドバンプ手法で形成する以外にも、金メッキで形成することも可能である。パッケージの土台となるパッケージ基板４０は、熱可塑性の材料を用いた基板の他、金属基板やバリスタ基板等が使用されてもよい。パッケージ基板４０と発光素子１６とは、熱可塑性の材料からなるインターポーザ３５０を介して貼り合わされ、該材料の軟化温度である３００℃超で真空中において接着することにより密着性が確保される。また、半導体層の端部は熱可塑材料により封止されるため、熱可塑材料は素子分割後の保護材としての役割を果たしている。パッケージ基板の内部電極６１を構成する導体の表面が銅であり、フリップチップ電極の材料が金である場合、これらの金と銅との間が共晶温度以上で貼り合わせされるため完全に結合される。図４（ｆ）に示す発光ダイオード２１はウエーハ状態から分離された状態を示し、サファイア基板１に蛍光体３３０が付加されて、蛍光体３３０が発光素子の最表面となっている。図中ｐ、ｑ及びｒは、発光層からの光（１次発光）が進む方向を示している。発光層から集光方向ｚに向かう光はそのまま放出される（ｐ）。集光方向ｚとは反対方向に向かう光は、反射膜６で反射されて集光方向ｚへ放出される（ｑ）。集光方向ｚと垂直すなわち活性層に沿った方向に向かう光は、ごく一部が外部へ取り出される（ｒ）。発光層からの光は蛍光物質を励起し、２次発光が生じる。２次発光した光は、図にｓ、ｔ及びｕで示す方向等、各方向に放出される。
【００３３】
図４（ｆ）に示す発光ダイオード２１の課題は２点ある。側面方向の光の捕捉と、静電気保護素子（サージ吸収素子）の実装である。もっとも、プリント基板４０としてバリスタ基板を用いた場合には、バリスタ基板の材料自身により高電圧で低抵抗となるため、他にサージ吸収素子は必要としない。
ウエーハ状態の発光素子を分割しそのままマザーボードに実装する工程の場合には、予めマザーボードの１又は複数個所に保護素子を設けておけば、発光ダイオードとして静電気対策は不要である。このような工程が推奨されるが、汎用性を持たせるために、本チップサイズパッケージの発光ダイオードにサージ吸収素子を設けることができる。
【００３４】
（発光素子）
図５〜図８を参照しつつ、発光素子の製造工程、及び発光素子内にマイクロミラーを設ける手法について説明する。図５は光マイクロセルの製造工程の例を表わす断面図である。図５（ａ）は、公知の手法によりサファイア基板２００の上にＮ＋ＧａＡｌＮ層２１０、Ｎ型ＧａＡｌＮ層２２０、活性層２３０及びＰ型ＧａＡｌＮ層２４０からなる発光層を形成して、さらにフォトレジストのパターン２６０を形成した状態を表している。図５（ｂ）は、Ｐ型ＧａＡｌＮ層２４０、活性層２３０及びＮ型ＧａＡｌＮ層２２０を、テーパエッチング技術で傾斜面（テーパ部）２５０を設けるようにウエットエッチングした状態を示している。図５（ｃ）は、図５（ｂ）の後、フォトレジスト２６０を除去して、新たなフォトレジストを形成してスクライブライン上のＮ＋ＧａＡｌＮ層２１０をエッチング除去し、将来発光素子ごとに分離される境界となるスクライブラインの位置に切り込み（溝）部４７を設け、その後フォトレジストを除去した状態を示している。図５（ｄ）は、その後、導電反射膜２７０を全面に積層して、フォトリソグラフィ技術でパターンを形成した状態を示している。導電反射膜２７０はＰ型ＧａＡｌＮ層２４０のほぼ全面を覆うように形成されている。図５（ｅ）は、その状態からシリコン酸化膜２８０を全面に形成した状態を示している。図５（ｆ）は、その状態にフォトレジストを設けて、電極部をフォトリソグラフィ技術によりテーパエッチング加工した後、フォトレジストを除去した状態を示している。電極部２８１及び２８２は、テーパエッチングがされた状態を示している。図５（ｇ）は、全面に金属薄膜を積層して、その後に同様なフォトリソグラフィ技術を用いてＰ型電極２９０及びＮ型電極２９１を形成し、フォトレジストを除去した状態を示している。以上によって光マイクロセル８０が形成されている。
【００３５】
図６は、上記のように形成された光マイクロセルの構造を説明する図である。図６（ａ）は、光マイクロセル８０の断面を表わし、集光方向ｚは下方となる。図６（ｂ）は、光マイクロセル８０が並べて形成されている平面図である。図６（ａ）において、光マイクロセル８０の活性層２３０で発生する光が進む方向をｐ、ｑ及びｒで表わしている。活性層２３０から集光方向ｚに向かう光はそのまま放出される（ｐ）。集光方向ｚとは反対方向に向かう光は、導電反射膜２７０により反射されて集光方向ｚに放出される（ｑ）。活性層２３０に沿った方向の光は、マイクロミラー７１により反射されて集光方向に放出される（ｒ）。マイクロミラー７１は、テーパ状に形成されたＮ型電極２９１によって反射面が構成されている。図６（ｂ）の平面図には、Ｐ型電極２９０及びＮ型電極２９１の境界が示されている。また、各発光セルの活性層２３０の領域は境界２３１で示されている。これらの境界は、電界が集中しないように４隅が丸みを持つように形成されている。
【００３６】
図７は発光素子全体の模式図である。１つの発光素子は、素子基板上に１又は２以上の区画された発光部（発光セル）を備えて構成される。１つの発光部は、図５及び図６に示したように、１つずつ区画して形成された発光セル（発光層）からなる。そして１つの発光セルの側面をマイクロミラーによって囲むことにより、１つの光マイクロセルが構成されている。すなわち、１つの発光素子は１又は２以上の光マイクロセルから構成される。図７（ａ）に示す発光素子１７では、サファイア基板２００の上に、複数の発光セル８０とマイクロミラー７１を備えた光マイクロセル層３００が形成されており、その上に導電反射膜層２７５が形成されている。１つの発光セル８０とその全周囲に設けられたマイクロミラー７１とにより、１つの光マイクロセルが構成されている。各発光セル８０のＰ型電極及びＮ型電極に接続される電源は配線層３１０において配線され、フリップチップ電極層３２０から各電源が供給される。サファイア基板２００上に形成された半導体層は、発光素子ごとに分離される境界となるスクライブラインの位置に切り込み部４７を設けることにより、当該部分が溝状に除去されている。図７（ｂ）は発光素子１７の斜視図である。フリップチップ電極は図５に示した工程には示されていないが、ウエーハ状態で金の薄膜を形成してエッチング加工することにより形成することができる。また、ウエーハ状態でスタッドバンプ手法により金バンプを設け、その後に平坦化して形成してもよい。
【００３７】
図８は、図５に示した工程の途中にツェナーダイオード用のポリシリコン層を設けた発光素子の断面構造を示している。図８の発光素子１８は、双方向ツェナーダイオードが設けられたサージ吸収ダイオード層９５を備えている。
【００３８】
図９は、サージ吸収ダイオードの詳細を示す。図５に示した工程によってＰ型電極２９０とマイクロミラーの反射面を兼ねるＮ型電極２９１が形成された後に、図９（ａ）に示すように、シリコン酸化膜２８５で平坦化層を形成し、その上に酸化インジウム等からなる導電膜１９０を設ける。更に、導電膜１９０上に、Ｐ型ポリシリコン９７、Ｎ型ポリシリコン９６を低温度で形成する。低温度といえども５００℃程度にはなるので、Ｐ型電極２９０及びＮ型電極２９１はクロムやニッケル等、融点の高い材料により形成しておく必要がある。レーザアニールによりポリシリコンの再結晶化を行い、ダイオードが完成される。図９（ｂ）はその平面図である。ダイオードＮ型面が９８及び９９であり、Ｐ型面は導電膜１９０を介して接続され、全体として双方向ツェナーダイオードを構成している。
【００３９】
別の発光素子の製造工程及び構造を、図１０〜１２を参照しつつ説明する。図１０は、素子基板上に半導体層を形成する製造方法を示す。図１０（ａ）〜（ｄ）はシリコン基板上に半導体層を設ける手法を示し、同図（ｅ）及び（ｆ）は表面を粗（梨地）にしたサファイア基板上に半導体層を設ける手法を示している。公知のサファイア基板ではなく、シリコン基板上に半導体層を設ける意味は、後にシリコン基板をエッチングにより除去することが容易である点にある。すなわち、サファイアの場合にはレーザ等を用いて界面を部分的ながら高温で剥離するリフトオフ手法が必要になるのに対して、シリコンの場合には、ＫＯＨ液等によるエッチチングにより１００℃以下で極めて容易に除去できる。図１０（ａ）は、サファイア基板２００上に半導体層としてＰ型ＧａＡｌＮ層２４０、活性層２３０、Ｎ型ＧａＡｌＮ層２２０を形成し、その上に酸化インジウム膜１９０を形成し、更にその上にシリコン酸化膜１８０を形成した状態を示す。酸化インジウム膜１９０は、Ｎ型半導体層を低抵抗にする目的、及び半導体層エッチング時の終点管理の目的で備えられている。シリコン酸化膜１８０は、シリコン基板との貼り合わせ用に備えられている。貼り合わせの事前処理としてＣＭＰ(ケミカル・メカニカル・ポリッシ)加工することも可能である。しかし、本例の構成では、シリコン酸化膜の下地がすべて平坦膜であり、シリコン酸化膜も平坦な膜となるため、ＣＭＰ加工は必ずしも要しない。図１０（ｃ）に示すように、上記半導体層が形成されたサファイア基板とシリコン基板１７０とを貼り合わせる。その後、図１０（ｄ）に示すように、サファイア基板２００をリフトオフして除去する。この状態で、シリコン基板が発光素子用の基板となる。
図１０（ｅ）及び（ｆ）は、表面を梨地にしたサファイア基板上に半導体層を設ける手法を示している。公知のサファイア基板上に半導体層を設けるのではなく、梨地加工したサファイア基板上に半導体層を設ける意味は、サファイア基板をリフトオフせずに利用する場合に、発光層から出る光の全反射率を低くするために、発光層とサファイ基板の間に乱反射層又は多面反射層を設けることである。図１０（ｅ）に示すように、サファイア基板２００上に半導体層を公知の技術で積層する。別のサファイア基板２０１は、あらかじめ表面を乱反射又は多面の反射をするように梨地加工され、その上に酸化インジウム膜１９１が形成される。酸化インジウム膜１９１はＣＭＰ技術により平坦化がなされている薄膜であり、この酸化インジウム膜１９１の面と、サファイア基板２００上の最表面に形成されている酸化インジウム膜１９０の面とを表面活性化処理をした後に貼り合わせる。図１０（ｆ）は、貼り合わせの後にサファイア基板２００をリフトオフした状態を示している。この基板は、サファイア基板２０１とインジウム酸化膜１９１との間に上記のような全反射防止構造を設けた基板となる。以降の加工工程でのこの基板の扱い方法は、梨地加工しない場合のサファイア基板上の半導体層と同様である。付加的なメリットとして、酸化インジウム膜が半導体層のエッチングストッパーになるためエッチング管理が容易なことが挙げられる。
【００４０】
図１１は、シリコン基板１７０上に光マイクロセルを形成する手順である。図５に示した工程とほぼ同じである。図１１（ｂ）に示す半導体層のテーパエッチングにおいて、酸化インジウム１９０が化合物半導体のエッチングのストッパーとなるため、加工の管理は格段に行いやすい。以降の工程は図５と同様である。
【００４１】
図１２は、図１１の手順により作成した発光素子全体の模式図である。図１２（ａ）に示す発光素子１９の断面では、シリコン基板１７０の上に、複数の発光セル８０とマイクロミラー７１を備えた光マイクロセル層３００が形成されており、その上に導電反射膜層２７５が形成されている。１つの発光セル８０とその全周囲に設けられたマイクロミラー７１とにより、１つの光マイクロセルが構成されている。各発光セル８０のＰ型電極及びＮ型電極に接続される電源は配線層３１０において配線され、フリップチップ電極層３２０から各電源が供給される。図１２（ｂ）は発光素子１９の斜視図である。基板が異なる点を除いて、図７に示した発光素子１７と同様である。図１２（ａ）において破線で示すｐ、ｑ及びｒは発光層からの光の方向を示しているが、図の状態ではシリコン１７０が光を通過しないため、参考までに示したものである。後の工程にてシリコン１７０は除去される。
【００４２】
図１３は、以上に説明した各発光素子の断面図である。図１３の（ａ）は前記発光素子１６（図２（ａ））の構造図であり、（ｂ）は前記発光素子１７（図７（ａ））の構造図であり、（ｃ）は前記発光素子１９（図１２（ａ））の構造図である。いずれも、ウエーハ状態で形成されている発光素子の１つ、又は発光素子ごとに分離された状態を表わす。図１３（ａ）〜（ｃ）の各発光素子において、本発明の光半導体装置をなすチップサイズパッケージの構造の基本概念は共通する。
【００４３】
（光半導体装置）
図１４〜１８に、本光半導体装置の具体的な実施例を示す。パッケージ基板として熱可塑性の基板を用いる例を説明するが、バリスタ基板を用いる場合も同様である。
【００４４】
図１４は、図１３（ａ）に示した発光素子１６を使用し、パッケージ材料として熱可塑性の材料を用いる発光ダイオード２０〜２２の形態（断面）を示している。いずれも、ウエーハ状態で形成されている発光ダイオードの１つ、又は発光ダイオードごとに分離された状態を表わす。基本形態は図１４（ａ）であり、同図（ｂ）は基本形態からサファイア基板１をリフトオフにて除去する事例、同図（ｃ）は蛍光体３３０を付加する事例である。図１４（ａ）の発光ダイオード２０は、前記発光素子１６と熱可塑性インターポーザ４２と熱可塑性プリント基板４１とから構成されている。この発光ダイオードはサファイア基板１側が集光方向であり、プリント基板４１側がチップサイズパッケージの電極側である。構造上の重要点は、発光する光をできるだけ多く集光方向へ取り出すこと、プリント基板の内部電極６１とフリップチップ電極７及び８との電気的接続を確実にすること、発光素子１６の表面とプリント基板４１の表面との密着性を確保して熱可塑性インターポーザ４２が湿度や異物などに対する保護機能を果たすこと、である。
【００４５】
発光層で発光する光のうち集光方向へ向かう光はそのまま集光方向へ取り出し、反対方向へ向かう光は反射膜６で反射させて集光方向へ取り出し、集光方向に対して垂直、すなわち活性層に沿った方向の光は活用していない。集光方向へ向かった光をできるだけ多く外部に取り出すために、前述のように発光層とサファイア基板との間に微細な散乱層を設けることも可能である。また、図１４（ｂ）に示すように、発光素子とプリント基板との合体後にサファイア基板をリフトオフ技術により除去することも可能であり、リフトオフ後に半導体表面を梨地加工することにより散乱層を設けることも可能である。
【００４６】
プリント基板側の電極６１とフリップチップ電極７及び８との間は、貼り合わせ時の温度を約３００℃とすることにより、プリント基板の内部電極の銅とフリップチップ電極の金との間が共晶状態となり金属間化合物が発生して強固に接続される。
【００４７】
発光素子１６の表面とプリント基板４１の表面との間の密着性については、貼り合わせ時の温度が約３００℃であるため、熱可塑性のインターポーザ、プリント基板ともに軟化点以上となり、密着は完全となる。
【００４８】
この様にして、図１４（ａ）に示す構造は、チップサイズパッケージを構成するための要件を満たしている。図１４（ａ）において、サファイア基板と半導体層との界面を粗にした構造（図１０（ｆ）について言及した構造）を使用すれば、発光層内での光の全反射を少なくすることができる。図１４（ｂ）は、同図（ａ）からサファイア基板１をリフトオフ手法により除去した状態である。サファイア基板と熱可塑性のプリント基板とは熱膨張係数が異なるため、両者の貼り合わせの後に貼り合わせ温度（約３００℃）に近い温度でサファイア基板をリフトオフすることが好ましい。これにより、熱膨張係数の差による界面応力が残らないようにできる。また、サファイア基板が除去された後、プリント基板上には、サファイア基板上にあった半導体層が存在することになる。この半導体層とプリント基板との間の室温に戻したときのストレスを緩和するため、サファイア基板上のスクライブラインに前記切り込み部４７を形成しておくことができる。これにより、サファイア基板の除去後には、半導体層がウエーハの状態から発光素子ごとに分離されている構造となり、プリント基板と半導体層との間に生じる応力を最小にすることができる。
この後に室温に戻し、必要に応じて、サファイア基板除去後の表面を粗とすることができる。また、表面を粗としないで、図１４（ｂ）に破線で示すように、屈折率が半導体層に近い材料で形成された透明板３９０（例えば、無アルカリガラス）を貼り合わせることも可能である。この透明板３９０の半導体層側の面を鏡面、反対面を梨地とすることによって、光を外部に放出しやすい構造とすることも容易である。半導体層から出る光の全反射を少なくするために、屈折率の近いこの様な材料を光学バッファーとして設けることは有効である。図１４（ｃ）に示す蛍光体３３０に同様の構造を設けることも可能である。例えば、上記透明板３９０の代わりに、半導体層側を鏡面とし且つその反対面を梨地加工した、ガラス又はセラミックスを母材とする薄板状の蛍光体３３０を貼り合わせる構成とすることができる。光学的には、半導体層との界面では光の屈折率を同程度にすることにより半導体層側からの全反射率を下げ、梨地の放出面では散乱により全反射率を下げるようにする構造である。蛍光体３３０は、ガラス又はセラミックスの薄板には限定されない。例えば、サファイア基板をリフトオフした状態、又はその状態から表面をブラストにより梨地加工した状態で、粘度の高い液状の樹脂の蛍光体をスピンナーにより所定の厚さ塗布し、しかる後に硬化させて蛍光体を形成する手法も簡易で有効である。この場合も、硬化後の屈折率が半導体の屈折率に近い材料を選ぶことにより、発光層から空気中までの光の反射を少なくすることができる。
上記透明板３９０や蛍光体３３０は、半導体層がウエーハ状態でプリント基板に貼り合わされている状態において付与することができる。
【００４９】
図１５は、図１４に示した構造の製作工程の例を示す。図１５（ａ）は、素子基板であるサファイア基板２００の上に発光層とフリップチップ電極３２１及び３２２を形成した状態である。Ｎ＋半導体層２１０はＮ型半導体面の電気的抵抗を低下するための層であり、Ｎ型半導体層２２０、活性層２３０、Ｐ型半導体層２４０からなる発光層が形成されている。隣接する発光素子の境界となるスクライブライン位置に切り込み部４７が設けられている。図１５（ｂ）は、熱可塑性のプリント基板４１に熱可塑性のインターポーザ４２を貼り合わせた図である。両者ともほぼ同一材料である。図１５（ｃ）は、図１５（ａ）の素子基板と図１５（ｂ）のプリント基板とを貼り合わせた状態を示す。真空中でサファイア基板２００側とプリント基板の外部電極６０側の面から加圧して、３００℃にて３０分ほどで貼り合わせする。これにより、密着性と電極の固体溶融接合が得られ、図１４（ａ）に示した構造は完成する。この状態からサファイア２００をリフトオフすると図１５（ｄ）の状態となり、図１４（ｂ）に示した構造が得られる。
図１５（ｄ）において、発光素子はスクライブライン位置の切り込み部４７において分離されており、プリント基板４１とＮ＋半導体層２１０など半導体層との熱膨張係数の違いによるストレスを局所に止めている。インターポーザ４２はスクライブライン位置の切り込み部４７に入り込むとともに、横方向につぶれて幅が少し広くなり、接着に寄与している。更に、図１５（ｅ）に示すように、蛍光体３３０を貼り合せ、又は蛍光体を塗布及び硬化させることにより、図１４（ｃ）に示した構造が得られる。
【００５０】
図１６は、前記発光素子１７（図１３（ｂ））又は前記発光素子１９（図１３（ｃ））を使用し、パッケージ材料として熱可塑性の材料を用いる発光ダイオード２３〜２５の形態（断面）を示している。図１６（ａ）〜（ｃ）は、いずれも、ウエーハ状態で形成されている発光ダイオードの１つ、又は発光ダイオードごとに分離された状態を表わす。まず、発光素子１９を使用する場合を説明する。基本形態は図１６（ａ）である。この図では素子基板としてサファイア基板２００が描かれているが、シリコン基板を使用して同様の構造とすることができることは前述のとおりである。同図（ｂ）は基本形態から素子基板であるシリコン基板１７０をエッチングにて除去した形態、同図（ｃ）は蛍光体３３０を付加する例である。図１６（ａ）の発光ダイオード２３は、発光素子１９と熱可塑性インターポーザ４２と熱可塑性プリント基板４１とを備えている。ただし、発光素子１９は光を透過しないシリコン基板１７０を用いているため、シリコン基板をエッチングにより除去する必要がある。シリコン基板は、ＫＯＨ等のアルカリ水溶液を用いて１００℃以下でエッチングすることができる。この工程の利点は、レーザリフトオフと比べて温度ストレスを加えることなく基板を除去できることである。シリコン基板を除去した状態が図１６（ｂ）になり、発光ダイオードとしての機能が備わる。この発光ダイオード２４は、除去されたシリコン基板１７０側が集光方向であり、プリント基板４１側がチップサイズパッケージの電極側である。構造上の重要点は、発光する光をできるだけ多く集光方向へ取り出すこと、プリント基板の内部電極６１とフリップチップ電極３２０との電気接続を確実にすること、発光素子１９の表面とプリント基板４１の表面との密着性を確保して熱可塑性インターポーザ４２が湿度や異物などに対する保護機能を果たすこと、である。
【００５１】
図１６において、活性層で発光した光が進む方向をｐ、ｑ及びｒで表わしている。集光方向へ向かう光はそのまま集光方向へ取り出し（ｐ）、反対方向へ向かう光は反射膜層２７５で反射させて集光方向へ取り出し（ｑ）、集光方向に対して垂直、すなわち活性層に沿った方向の光はマイクロミラー７１により集光方向へ向けることができる。集光方向へ向かった光をできるだけ多く半導体層から外部に取り出すために、前述のように半導体層の表面に微細な散乱層を設けることも可能である。シリコン基板１７０は、図１６（ａ）に示すように発光素子とプリント基板とを貼り合わせた後に、エッチングにより除去可能である。高温で貼り合わせた後に室温へ変化すると、熱膨張係数の差による大きな応力が貼り合わせ界面に発生するため、シリコン基板のエッチングは貼り合わせ温度に近い温度で行うことが望ましい。すなわち、約３００℃で貼り合わせ、その近傍の温度でシリコン基板を除去するようにすれば、熱膨張係数の差によって生じる界面応力を小さくすることができる。また、シリコン基板上に半導体層が形成されたウエーハ状態で、スクライブラインに切り込み部４７を形成しておくことにより、ウエーハ状態において半導体層が発光素子ごとに分離されている構造となり、プリント基板と半導体層の界面に発生する応力を最小にすることができる。また、発光素子間のストレスを分離することができ、基板の曲がりを防止することができる。
【００５２】
プリント基板の内部電極６１とフリップチップ電極３２０との間は、貼り合わせ時の温度を約３００℃とすることにより、プリント基板の電極の銅とフリップチップ電極の金との間が共晶状態となり、金属間化合物が生成されて強固に接続される。
発光素子１９の表面とプリント基板の表面との間の密着性については、貼り合わせ時の温度（約３００℃）が熱可塑性のインターポーザ及びプリント基板の軟化点以上であるため、密着は完全となる。
【００５３】
この様にして、図１６（ａ）に示す構造は、チップサイズパッケージを構成するための要件を満たしている。図１６（ｂ）は、同図（ａ）から素子基板を除去した状態であり、必要に応じて、除去後に表面を粗とすることができる。また、表面を粗としないで、図中に破線で示すように、屈折率が半導体層に近い材料により形成された透明板３９０（例えば、無アルカリガラス）を貼り合わせることも可能である。この透明板３９０の半導体層側の面を鏡面、反対面を梨地とすることによって、光を外部に放出しやすい構造とすることも容易である。半導体層から出る光の全反射をできるだけ少なくするために、半導体層と屈折率の近い層を光学バッファーとして設けることは有効である。図１６（ｃ）に示す蛍光体３３０に同様の構造を設けることもできる。すなわち、上記透明板の代わりに、半導体層側を鏡面とし且つその反対面３３１を梨地加工した、ガラス又はセラミックスを母材とする薄板状の蛍光体３３０を貼り合わせる構造とすることができる。光学的には、半導体層との界面では光の屈折率を同程度にすることにより半導体層側からの光ｖの全反射率を下げ、梨地の放出面３３１では散乱により外部へ向かう光ｗの全反射率を下げるようにする構造である。図１６（ｃ）の蛍光体３３０は、ガラス又はセラミックスの薄板には限らない。例えば、シリコン基板を除去した状態、又はその状態から半導体表面をブラストにより梨地加工した状態で、粘度の高い液状の樹脂の蛍光体をスピンナーにより所定の厚さ塗布し、しかる後に硬化させて蛍光体を形成する手法も簡易で有効である。この場合においても、硬化後の屈折率が半導体の屈折率に近い材料を選ぶことにより、発光層から空気中までの光の反射を少なくすることができる。
【００５４】
以上に発光素子１９を用いる例を説明したが、発光素子１７を用いる場合もほぼ同様である。発光素子１７は、図１６（ａ）に示されるようにサファイア基板２００を使用しているので、そのサファイア基板をリフトオフ技術により除去することができる。サファイア基板を除去した状態が、図１６（ｂ）に示す状態となる。その後、蛍光体を付加したり、光の透過性を良くする加工を施したりすることが可能なのは、発光素子１９を用いた場合と同様である。
【００５５】
図１７は、図１６で示した構造の製作工程の例を示す断面図である。図１７（ａ）は素子基板であるサファイア基板２００上に発光層とフリップチップ電極３２０を形成した状態を示す。これは、ウエーハ上に、図５〜７に示したように発光素子１７を作成した状態である。図１７（ｂ）は、熱可塑性のプリント基板４１に熱可塑性のインターポーザ４２を貼り合わせた状態を示す。両者ともほぼ同一材料である。図１７（ｃ）は、図１７（ａ）の発光素子と図１７（ｂ）のプリント板とを貼り合わせた状態を示している。真空中でサファイア基板２００側とプリント基板の外部電極６０側の面から加圧して、３００℃にて３０分ほどで貼り合わせする。これにより、密着性と電極の固体溶融接合が得られ、図１６（ａ）に示した構造は完成する。この状態からサファイア基板２００をリフトオフすると図１７（ｄ）の状態となり、図１６（ｂ）に示した構造が得られる。更に、この状態に蛍光体３３０を貼り合せ、又は蛍光体を塗布及び硬化させることにより図１７（ｅ）の状態となり、図１６（ｃ）に示した構造が得られる。なお、プリント基板との貼り合せ後に生じる発光素子間のストレスを緩和するため、次の図１８に示す構造と同様に、スクライブライン位置に切り込み部を形成しておくことができる。
【００５６】
図１８は、図１６に示した発光ダイオードの構造を、シリコン基板を用いて形成する製作工程を示す断面図である。図１８（ａ）は、素子基板であるシリコン基板１７０上にシリコン酸化膜１８０を形成し、その上に発光層及びフリップチップ電極３２０を形成した状態である。これは、ウエーハ上に、図１０〜１２に示したように発光素子１９を作成した状態である。図１８において、スクライブライン位置に切り込み部４７が形成されているのは、プリント基板との貼り合せ後に発光素子間にストレスを生じないようにするためである。図１８（ｂ）は、熱可塑性のプリント基板４１に熱可塑性のインターポーザ４２を貼り合わせた状態を示す。両者ともほぼ同一材料である。図１８（ｃ）は、図１８（ａ）の発光素子と図１８（ｂ）のプリント基板とを貼り合わせた状態を示している。真空中でシリコン基板１７０側とプリント基板の外部電極６０側の面から加圧して、３００℃にて３０分ほどで貼り合わせする。これにより、密着性と電極の固体溶融接合が得られる。この状態からシリコン基板１７０をエッチングにより除去すると図１８（ｄ）の状態となり、図１６（ｂ）と同じ構造が得られる。更に、この状態に蛍光体３３０を貼り合せ、又は蛍光体を塗布及び硬化させることにより図１８（ｅ）の状態となり、この状態で図１６（ｃ）に示した構造が得られる。
【００５７】
図１９〜２１は、パッケージ基板として金属ベースの基板（金属基板）を用いる例である。前記各事例における熱可塑性プリント基板を金属基板に置き換える構成である。金属基板を用いる場合の構成や加工工程は熱可塑性プリント基板を使用する場合とほぼ同様であり、以下では、図１６に示した構成において金属基板を用いる事例だけを説明する。図１４に示した構成は容易に推定できるため説明は省略する。
【００５８】
図１９は、発光素子として前記発光素子１７（図１３（ｂ））又は前記発光素子１９（図１３（ｃ））を使用し、パッケージ材料として金属基板４３及び熱可塑性インポーザ４２を用いる発光ダイオード２６〜２８の形態（断面）を示している。図１９（ａ）〜（ｃ）は、いずれも、ウエーハ状態で形成されている発光ダイオードの１つ、又は発光ダイオードごとに分離された状態を表わす。金属基板４３に備えられる外部電極６０、内部電極６１及びビア５０は、金属のベース基板とは図示しない絶縁膜により電気的に絶縁されている。基本形態は図１９（ａ）であり、同図（ｂ）は、基本形態からサファイア基板をリフトオフにて除去、又はシリコン基板をエッチングにて除去した形態を示す。同図（ｃ）は、更に蛍光体３３０を付加する例である。図１９（ａ）の発光ダイオード２６は、サファイア基板２００を用いた発光素子１７と、熱可塑性インターポーザ４２と、金属基板４３と、を備えている。発光ダイオード２６はサファイア基板２００側が集光方向であり、金属基板４３側がチップサイズパッケージの電極側である。構造上の重要点は、発光する光をできるだけ多く集光方向へ取り出すこと、金属基板の内部電極６１とフリップチップ電極３２０との電気的接続を確実にすること、発光素子１７の表面と金属基板４３の表面との密着性を確保して熱可塑性インポーザ４２が湿度や異物などに対する保護機能を果たすこと、である。
【００５９】
金属基板の内部電極６１とフリップチップ電極３２０との間は、貼り合わせの温度を約３００℃とすることにより、金属基板の電極の銅とフリップチップ電極の金との間で溶融現象が発生して金属間化合物が生成されるため、接続強度が確保される。発光素子１７の表面と金属基板の表面との間の密着性については、貼り合わせ時の温度（約３００℃）が熱可塑性のインターポーザの軟化点以上であるため、密着は完全となる。
【００６０】
この様にして、図１９（ａ）に示す構造は、チップサイズパッケージを構成するための要件を満たしている。図１９（ｂ）は、素子基板が除去された状態を示す。図１９（ａ）では発光素子１７を用いる例を示しているが、発光素子１９を用いる場合もほぼ同様である。ただし、発光素子１９は光を透過しないシリコン基板を用いているため、シリコン基板をエッチングにより除去する必要がある。シリコン基板は、ＫＯＨ等のアルカリ水溶液を用いて１００℃以下でエッチングすることができる。シリコン基板を除去した状態は図１９（ｂ）と同じとなる。シリコン基板の場合、レーザリフトオフと比べて温度ストレスを加えることなく基板を除去でき、図１９（ｂ）の状態で発光ダイオードとしての機能を有する。図１９（ｃ）は、この状態から更に蛍光体３３０を付加した状態を示している。その他、集光方向に取り出す光を増すための追加の工夫は、前記同様である。
【００６１】
図２０は、図１９で示した構造の製作工程の例を示す。図２０（ａ）は素子基板であるサファイア基板２００上に発光層とフリップチップ電極３２０を形成した状態を示す。これは、ウエーハ上に、図５〜７に示したように発光素子１７を作成した状態である。図２０（ｂ）は金属基板４３を示す。外部電極６０、内部電極６１及びビア５０は銅であり、金属基板４３からは絶縁膜により電気的に絶縁されている。図２０（ｃ）は、熱可塑性のインターポーザ４２を示す。図２０（ｄ）は、図２０（ａ）の素子基板と（ｂ）の金属基板と（ｃ）のインターポーザとを貼り合わせた状態を示している。真空中でサファイア基板２００側と金属基板の外部電極６０側の面から加圧して、３００℃にて３０分ほどで貼り合わせする。これにより、密着性と電極の固体溶融接合が得られ、図１９（ａ）に示した構造は完成する。この状態からサファイア２００をリフトオフすると図２０（ｅ）の状態となる。更に、この状態に蛍光体３３０を貼り合せ、又は蛍光体を塗布及び硬化させることにより、図２０（ｆ）の状態となる。なお、金属基板との貼り合せ後に生じる発光素子間のストレスを緩和するため、図１８に示した構造と同様に、素子基板のスクライブライン位置に切り込み部を形成しておくことができる。
【００６２】
図２１は、図１９に示した構造において、シリコン基板を用いた発光素子１９を用いる場合の製作工程を示す。図２１（ａ）は、シリコン基板１７０上にシリコン酸化膜１８０を形成し、その上に発光層及びフリップチップ電極３２０を形成した状態である。これは、ウエーハ上に、図１０〜１２に示したように発光素子１９を作成した状態である。図２１（ｂ）は金属基板４３を示す図であり、その各面に外部電極６０及び内部電極６１が設けられ、基板を貫通したビアが設けられている。図２１（ｃ）は、熱可塑性のインターポーザ４２を示す。図２１（ｄ）は、図２１（ａ）の発光素子と（ｂ）の金属基板と（ｃ）のインターポーザとを貼り合わせた状態を示している。真空中でシリコン基板１７０側と金属基板の外部電極６０側の面から加圧して、３００℃にて３０分ほどで貼り合わせする。これにより、密着性と電極の固体溶融接合が得られる。この状態からシリコン基板１７０をＫＯＨ等のアルカリ水溶液でエッチング除去すると図２１（ｅ）の状態となる。更に、この状態に蛍光体３３０を貼り合せ、又は蛍光体を塗布及び硬化させることにより、図２１（ｆ）の状態となる。
【００６３】
図２２は、パッケージ基板としてガラスエポキシ基板を使用し、発光素子として図１３（ａ）に示した発光素子１６を用いる場合の構造（断面）を示す。すなわち、普及し低コストのガラスエポキシプリント基板を使用して、貼り合わせには異方性導電接着剤を用いる発光ダイオードの形態である。基本形態は図２２（ａ）であり、同図（ｂ）は基本形態からサファイア基板をリフトオフにて除去した形態、同図（ｃ）は更に蛍光体３３０を付加する例である。図２２（ａ）の発光ダイオード２９は、発光素子１６、ガラスエポキシ基板４５、及び異方性導電接着剤３７０から構成されている。この発光ダイオードはサファイア基板１側が集光方向であり、ガラスエポキシ基板側がチップサイズパッケージの電極側である。構造上の重要点は、ガラスエポキシ基板の内部電極６１とフリップチップ電極７及び８との電気的接続を確実にすること、発光素子１６の表面とガラスエポキシ基板の表面との密着性を確保して異方性導電接着剤３７０が湿度や異物などに対する保護機能を果たすこと、である。
【００６４】
ガラスエポキシ基板の表面と発光素子の表面との間は、貼り合わせ時の温度を約１００℃程度として加圧しながら保持・硬化すると、室温に戻したときに異方性導電接着剤の樹脂が収縮するため、ガラスエポキシ基板と発光素子との間には引っ張り応力が発生する。これにより、ガラスエポキシ基板と発光素子とは引っ張り合いながら密着性が確保される。また、電気的接続については、ガラスエポキシ基板の電極である銅と発光素子のフリップチップ電極の金との間に、金を主体とする約２０μｍの金属の球が存在することとなるので、ガラスエポキシ基板と発光素子とが樹脂により引っ張り合うことにより上記金属の球を介して接続が保持される。異方性導電接着剤（ヒートシール）自身は公知の材料であるが、ウエーハ状態の発光素子とプリント基板との接続に使用するためには、ヒートシール材の量が最適化される必要がある。実装上、両電極間に必要な寸法は金属球の寸法であり、それ以上の樹脂成分の厚みは接触に障害となる。したがって、ウエーハとプリント基板との貼り合わせのように面積が広い場合には、樹脂の逃げの部分、すなわち樹脂のバッファー部の確保が必要となる。このため、プリント基板の一部に窪み部（接着剤バッファー部３７５）を設けたことが特徴の一つである。プリント基板の電極の銅と発光素子の電極の金は共晶結合されていないため接触抵抗はゼロではないが、数ミリオームと小さい。１００℃の温度で加熱、加圧することにより容易に接続できるため、液晶の面発光バックライトのような一つのＬＥＤの駆動電流が小さい用途には、低コストのパッケージ手法となる。
【００６５】
図２３はその製造工程を説明するための断面図である。図２３（ａ）は、サファイア基板２００上に形成された発光層とフリップチップ電極３２１及び３２２からなる発光素子１６を示している。図２３（ｂ）は、表面の外部電極６０、裏面の内部電極６１、及び接着材バッファー部３７５を備えるガラスエポキシ基板４５を示している。図２３（ｃ）は、そのガラスエポキシ基板にシート状に異方性導電接着剤３７０を形成した状態を表す。図２３（ｄ）は、図２３（ａ）の発光素子と、異方性導電接着剤３７０を設けたガラスエポキシ基板４５とを貼り合わせた状態を表す。この状態で、ガラスエポキシ基板の外部電極６０側とサファイア基板とを加圧しながら１００℃で６０分間程度保持する。その後温度を室温に戻すとき異方性導電接着剤に大きな収縮応力が働くため、電極間の電気的接続が維持できる。これにより発光ダイオード２９が完成する。図２３（ｅ）は、サファイア基板をリフトオフした状態を示し、図２３（ｆ）は更に蛍光体３３０を付加した状態を示す。サファイア基板除去及び蛍光体付加の手法や目的は前記事例の場合と同様である。
【００６６】
図２４は、前記発光素子１７（図１３（ｂ））を用いる発光ダイオード３２〜３４の形態（断面）を示す。前記発光素子１９（図１３（ｃ））を用いる場合も同様である。前図と同様に、パッケージ材料としてガラスエポキシ基板及び異方性導電接着剤を用いる形態である。基本形態は図２４（ａ）に示され、（ｂ）は基本形態からサファイア基板をリフトオフにて除去する形態、（ｃ）は更に蛍光体を付加する例である。発光素子１７に代わり発光素子１９を用いる場合も、そのシリコン基板を除去した後は、図２４（ｂ）及び（ｃ）と同じ構造となる。図２４（ａ）の発光ダイオード３２は、発光素子１７、ガラスエポキシ基板４５、及び異方性導電接着剤３７０から構成されている。この発光ダイオードはサファイア基板２００側が集光方向であり、ガラスエポキシ基板側がチップサイズパッケージの電極側である。構造上の重要点は、ガラスエポキシ基板の内部電極６１とフリップチップ電極３２０との電気的接続を確実にすること、発光素子１７の表面とプリント基板の表面との密着性を確保して異方性導電接着剤３７０が湿度や異物などに対する保護機能を有すること、である。これらの点について、発光ダイオード３２の構造は、図２２で説明したのと同様の原理により、チップサイズパッケージを構成するための要件を満たしている。
【００６７】
図２５は、図２４（ａ）に示した発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図である。図２５（ａ）は、サファイア基板２００上に形成された発光層とフリップチップ電極３２０を備える発光素子１７である。図２５（ｂ）は、表面の外部電極６０、裏面の内部電極６１、及び接着材バッファー部３７５を備えるガラスエポキシ基板４５を示している。図２５（ｃ）は、そのガラスエポキシ基板にシート状に異方性導電接着剤３７０を形成した状態を表す。図２５（ｄ）は、図２５（ａ）の発光素子と、（ｃ）のガラスエポキシ基板とを貼り合わせた状態を表す。この状態で、ガラスエポキシ基板の外部電極６０側とサファイア基板とを加圧しながら１００℃で６０分間程度保持する。その後温度を室温に戻すとき異方性導電接着剤に大きな収縮応力が働くため、電極間の電気的接続が確保できる。これにより発光ダイオード３２が完成する。図２５（ｅ）は、サファイア基板をリフトオフした状態を示し、図２５（ｆ）は更に蛍光体３３０を付加した状態を示す。サファイア基板除去及び蛍光体付加の手法や目的は、前記事例の場合と同様である。
【００６８】
図２６は、図２４（ｂ）又は（ｃ）に示した発光ダイオードの製造手順を説明するための断面図である。図２６（ａ）は、シリコン基板１７０上にシリコン酸化膜１８０を形成し、その上に発光層及びフリップチップ電極３２０を備えた発光素子１９を示している。図２６（ｂ）は、表面の外部電極６０、裏面の内部電極６１、及び接着材バッファー部３７５を備えるガラスエポキシ基板４５を示している。図２６（ｃ）は、そのガラスエポキシ基板にシート状に異方性導電接着剤３７０を形成した状態を表す。図２６（ｄ）は、図２６（ａ）の発光素子と、（ｃ）のガラスエポキシ基板とを貼り合わせた状態を表す。この状態で、ガラスエポキシ基板の外部電極６０側とシリコン基板とを加圧しながら１００℃で６０分間程度保持する。その後温度を室温に戻すとき異方性導電接着剤に大きな収縮応力が働くため、電極間の電気的接続が確保できる。但し、この状態ではシリコンが発光層からの光を通さないため、シリコン基板１７０をエッチングにて除去する必要がある。図２６（ｅ）は、シリコン基板を除去した状態を示し、この状態で発光ダイオード３３として完成する。図２６（ｆ）は更に蛍光体３３０を付加した状態を示す。シリコン基板除去及び蛍光体付加の手法や目的は、前記事例の場合と同様である。
【００６９】
図２７は、ウエーハと、ウエーハ状態の発光素子と、１つの発光ダイオードとの関係の例を示す図である。素子基板であるサファイア基板として、例えば図２７（ａ）に示すような２インチウエーハ４００を使用することができる。図２７（ｂ）の断面図に示すように、１つの発光素子は０．４ｍｍ×０．２ｍｍ程度とすることができる。発光素子はサファイア基板上に設けた光マイクロセル構造のものであり、例えば、横方向に２、縦方向（図示せず）に１、の光マイクロセルから構成することができる。図２７（ｃ）に、発光素子をパッケージし、個別に分離された発光ダイオード３６の断面を示す。発光素子は、光マイクロセル層３００、導電反射膜層２７５、電源配線層３１０及びフリップチップ電極層３２０を備えている。光マイクロセル層３００には断面視２つの光マイクロセルが形成されており、各光マイクロセルは、発光セル８０とその側面を囲むマイクロミラー７１を備えている。図２７（ｂ）において、半導体のスクライブライン上の切り込み部４７が他の発光素子との境界である。ウエーハ状態の発光素子とプリント基板４１とが貼り合わされた後、その貼り合せ時の温度（約３００℃）に近い温度でレーザリフトオフによりサファイア基板２００が除去される。サファイア基板が除去された状態では、プリント基板４１上に半導体層が発光素子毎に分離されているため、室温に戻した時にも大きなストレスなく保持される。その後、図２７（ｃ）の様に蛍光体３３０を貼り合わせたりすることも可能である。約３００℃の状態での上記レーザリフトオフを簡素化するために、貼り合わせ前の室温にて予めレーザを照射した後に３００℃で貼り合わせ、その後は３００℃の温度条件だけでサファイアを除去することも可能である。治工具を要するが、レーザを高温下で照射するよりは手軽に行うことができる。
【００７０】
図２８は、ウエーハと、ウエーハ状態の発光素子と、１つの発光ダイオードとの関係の別の例を示す図である。素子基板であるシリコン基板として、例えば図２８（ａ）に示すような２インチウエーハ４００を使用することができる。素子基板にシリコン基板を使用し、そのシリコンをエッチングにより除去すること以外は、図２７に示した例と同様である。図２８（ｃ）に、発光素子をパッケージした発光ダイオード３７の断面を示す。図１６（ｃ）に示した発光ダイオード２５と同様の構成である。図２８（ｂ）に示すようにウエーハ状態の発光素子とプリント基板４１とが貼り合わされた後、その貼り合せ時の温度（約３００℃）に近い温度でＫＯＨ水溶液又はＫＯＨ蒸気にてシリコン基板が除去される。約３００℃でシリコン基板をエッチングにて除去することは、サファイア基板のレーザリフトオフより遥かに容易であり、シリコン基板を用いることの利点である。シリコン基板が除去された状態では、プリント基板４１上に半導体層が発光素子毎に分離されているため、室温に戻した時にも大きなストレスなく保持される。その後、図２８（ｃ）の様に蛍光体３３０を貼り合わせたりすることも可能である。
【００７１】
図２９は発光ダイオードの全体を説明するための図であり、図２９（ａ）は上面、（ｂ）は断面、（ｃ）は下面の電極部を示す。図２９（ｂ）において、発光素子は、光マイクロセル層３００、導電反射膜層２７５、電源配線層３１０及びフリップチップ電極層３２０を備えている。光マイクロセル層３００には２つの光マイクロセルが形成されており、各光マイクロセルは、発光セル８０とその側面を囲むマイクロミラー７１を備えている。フリップチップ電極層の各内部電極は円柱状に形成され、フリップチップＰ電極３２１とフリップチップＮ電極３２２とからなるようにすることができる。熱可塑性プリント基板４１は、その両面に内部電極６１及び外部電極６０を備え、内部電極６１と外部電極６０とはビア５０により接続されている。熱可塑性インターポーザ４２を介して、熱可塑性プリント基板４１の表面と発光素子の電極側表面とは強固に密着されている。また、フリップチップ電極３２１及び３２２と、それらに対応して設けられている各内部電極６１との間は、金属拡散により強固に接続されている。図示するように、発光セル８０の活性層から発生する光は、ｐ方向にはそのまま放出され、ｑ方向は反射膜層２７５で反射されて放出され、活性層に沿ったｒ方向の光はマイクロミラー７１により反射されて放出される。板状の蛍光体３３０が貼り合わされており、発光層から到来する波長の短い１次発光により蛍光物質が励起され、波長の長い光を２次発光する。図中ｓ、ｔ及びｕにより２次発光の方向を示す。白色発光ダイオードの場合には、これらの１次発光、２次発光の波長と強度の組み合わせにより白色光が生成される。
【００７２】
上記発光ダイオード３９は、図２９（ａ）に示すように、横２×縦１の２つの光マイクロセルにより構成されている。各発光セルの領域は境界８１で示されている。この発光素子はサイズが小さいため、２つのフリップチップ電極（３２１及び３２２）だけが具備されている。通常、ベアチップにフリップチップ電極を備える素子においては、２つのフリップチップ電極では安定性に欠ける。しかし、この発光ダイオードの構造においてフリップチップ電極は内部電極であるので、２つでも安定する。図２９（ｃ）は、この発光ダイオードの下面（電極面）を示している。Ｐ電極６２及びＮ電極６３は、プリント基板４１に設けられた外部電極６０の銅導体の表層に半田メッキを施して形成されており、マザーボードとの接続に用いられる。図２９に示される発光ダイオードは、図２７（ａ）や図２８（ａ）に示したようなウエーハ状態にてパッケージまで完了し、その後、必要な電気的検査や光学的検査もウエーハ状態、すなわち発光ダイオードを個別に分離する前に行うことができる。この様にすれば、ウエーハ状態で扱う治工具類を用いて組立・検査を行うことができる。
【００７３】
図３０に上記発光ダイオード３９のマザーボード３４０への実装例を示す。液晶のバックライト用途では、このような発光ダイオードが１０ｍｍ程度のピッチで縦横に敷き詰められる。発光ダイオード３９は０．４ｍｍ×０．２ｍｍ程度とごく小さいため、ウエーハ状態からスクライブしてそのままエキスパンドした状態、又は、同様なシート面上に実装した状態でピックアップして、マザーボードに装着することができる。この様にすれば静電気等のサージが最小限に抑えることができる。発光ダイオード３９に備えられた蛍光体で２次発光する光は全方向に向かうため、マザーボード上に反射板１５０を設けて集光方向へ向けることも有効である。
【００７４】
尚、以上では、パッケージ基板として、熱可塑性プリント基板、金属基板、ガラスエポキシ基板、又はバリスタ基板を使用する例を挙げた。また、基板を組み合わせて使用する例を挙げた。発光素子とパッケージ基板との接着に、熱可塑性のインターポーザ及び異方性導電接着剤のいずれかを用いる例を挙げたが、それらを組み合わせて用いることも可能である。発光素子の素子基板と熱可塑性プリント基板との熱膨張係数が異なることを前提として説明してきたが、熱可塑性プリント基板の熱膨張係数を素子基板の熱膨張係数に合わせるように材料を選択することもできる。そうすれば、特に３００℃近傍で素子基板とパッケージ基板を貼り合わせた後に、貼り合わせた基板が反ることなく室温まで降下させることができる。これにより素子基板の除去を室温近くで行うことができるため、加工条件や設備が簡素化される。ただし、この場合パッケージ基板の熱膨張係数が素子基板の熱膨張係数値に近いため、マザーボードなどに当該パッケージを実装する場合には注意を要する。以上の他にも、金属基板と異方性導電接着剤とを組み合わせる構成、セラミックス基板と熱可塑性のインターポーザとを組み合わせる構成、セラミックス基板と異方性導電接着剤とを組み合わせる構成等が考えられる。このような組み合わせは、熱伝導率の値や、要求される電極間の接続抵抗の値、作りやすさ等を考慮しながら選ぶことができる。
その他、本発明は以上で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
発光ダイオードの輝度向上に伴い、省エネルギーの時代ニーズとも相まってその用途が拡大している。灯具の代替、液晶バックライトの代替、食物工場の照明など、いずれの用途においても高効率化・小型化・低コスト化が普及のカギである。本発明のチップサイズパッケージの光半導体装置は、ウエーハ状態でパッケージができ、ウエーハ状態で電気的検査・光学的検査を行うことができ、個別発光ダイオードに分離した後も、ウエーハ状態又はそれをエキスバンドした状態で扱うことができ、パッケージコストを大きく低減できるものである。本発明は、白色用だけでなく全ての発光ダイオードに適用でき、また化合物半導体と他の母材との組み合わせも可能になり、広範な用途に用いることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１；サファイア基板、２；Ｎ＋型半導体（ＧａＡｌＮ）層、３；Ｎ型半導体（ＧａＡｌＮ）層、４；活性層、５；Ｐ型半導体（ＧａＡｌＮ）層、６；導電反射膜（背面反射膜）、７；フリップチップ（Ｐ）電極、８；フリップチップ（Ｎ）電極、１０；パッケージ基板、１１；パッケージ基板電極部、１２；パッケージ内側壁、１３；蛍光体、１４；キャップ、１５；シリコン酸化膜、１６〜１９；発光素子、２０〜３９；発光ダイオード（光半導体装置）、４０；プリント基板、４１；熱可塑性プリント基板、４２；熱可塑性インターポーザ、４３；金属基板、４５；ガラスエポキシ基板、４７；スクライブライン位置の切り込み（溝）部、５０；ビア、６０；外部電極、６１；内部電極、６２；半田メッキされた外部Ｐ電極、６３；半田メッキされた外部Ｎ電極、６５；マザーボード電極、７０；側面反射板、７１；マイクロミラー、８０；発光セル、８１；発光セルの境界、８２；光マイクロセル層、８５；導電反射膜、９０；配線層、９５；保護ダイオード層、９６；Ｎ型ポリシリコン、９７；Ｐ型ポリシリコン、９８；第１ツェナーダイオードのＮ電極、９９；第２ツェナ―ダイオードのＮ電極、１００；発光ダイオードの外枠、１５０；外部反射板、１８０；シリコン酸化膜、１９０、１９１；酸化インジウム膜、２００；サファイア基板、２０１；表面を梨地にしたサファイア基板、２１０；Ｎ＋型ＧａＡｌＮ層、２２０；Ｎ型ＧａＡｌＮ層、２３０；活性層、２３１；活性層の境界、２４０；Ｐ型ＧａＡｌＮ層、２５０；テーパ部、２６０；フォトレジスト膜、２７０；導電反射膜、２７５；導電反射膜層、２８０、２８５；シリコン酸化膜、２８１、２８２；電極部、２９０；Ｐ型電極、２９１；Ｎ型電極、３００；光マイクロセル層、３１０；光マイクロセルへの電源配線層、３２０；フリップチップ電極層、３２１；フリップチップＰ電極、３２２；フリップチップＮ電極、３３０；蛍光体、３３１；蛍光体表面の梨地部、３４０；マザーボード、３５０；インターポーザ、３６０；内層プリント基板、３６１；電極、３７０；異方性導電接着材、３７５；接着材バッファー部、３９０；透明板（無アルカリガラス）、４００；ウエーハ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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